CdSとCdSeからなる棒状および四足状の多成分ナノ構造のシード合成のためのプロトコルが提示されます。
方法論記事
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CdSとCdSeからなる棒状および四足状の多成分ナノ構造のシード合成のためのプロトコルが提示されます。
私たちは、棒状および四足類の形態を持つCdSとCdSeからなる多成分ナノ構造の合成方法を示します。シード合成戦略は、ホットインジェクション技術を用いてCdSeの球状シードを最初に調製するものです。シードの結晶構造をウルツ鉱または亜鉛ブレンドのいずれかに制御することにより、シードからのCdSのその後のホットインジェクション成長により、それぞれ棒状または四足状のナノ結晶が得られます。合成されたナノ結晶の相と形態は、X線回折および透過型電子顕微鏡法を用いて確認され、ナノ結晶が位相純度が高く、一貫した形態を有することが実証された。合成されたナノ結晶の吸光係数と量子収率は、UV-Vis吸収分光法とフォトルミネッセンス分光法を用いて計算されます。桿体と四肢は、裸の種子よりも高い吸光係数と量子収率を示します。この合成は、シード合成アプローチを使用してナノスケールで達成できる材料の正確な配置を示しています。
多成分ナノ構造の合成は、近年急速に発展しています1。球状コアシェル粒子2,3、シードナノロッド4,5、シードテトラポッド6など、さまざまなII-VI半導体ナノヘテロ構造が合成されています。これらのヘテロ構造は、ナノスケールでの光子とキャリアの高度な操作を可能にし、非常に高い吸光係数、偏光放出4、高量子収率2,7など、多くの興味深い現象を示します。
多成分ナノ構造の合成には、各成分の組成、相、形状、サイズ、および接続性を正確に制御する必要があります。これらの様々な要因の制御は、核形成と成長の速度8,9,10を独立して調節する能力に大きく依存している。核形成と成長を独立して制御するための1つの戦略は、これら2つのプロセスを別々の合成ステップに分けることです。ここでは、球状ナノ結晶の核形成と成長に最適化された反応条件下で生成されたCdSeの小さなシードを、ロッド状アーム6の異方性成長に最適化された反応条件下でCdSの成長が起こる第2のフラスコに移す方法を示します。ウルツ鉱から亜鉛閃石へのCdSeシードシードの結晶構造を調整することにより、同様の条件下で成長したCdSe/CdSヘテロ構造の形態をナノロッドからテトラポッドにどのように変更できるかを示し、最先端のナノ粒子合成法によってもたらされる位相、形状、およびサイズの正確な制御を強調します。カドミウムカルコゲナイドのナノ構造は、この材料システムが集中的に研究されてきたため、新しい合成技術の開発に有用なモデルシステムとして機能してきました。特定のナノ構造の合成は、このビデオプロトコルで示されていますが、同じ技術は、他の多くのナノ構造の合成にも適用可能です。
ナノ粒子合成に用いられる技術や試薬のわずかな違いが、最終製品に劇的な違いをもたらすことが示されています。例えば、合成中に存在する温度上昇率11および不純物12〜14は、ナノ結晶のサイズおよび形状に劇的な影響を与えることが示されている。合成手順が非常に敏感である特定の要因が特定されたことで、ナノ結晶合成の再現性は向上し続けています。この詳細なビデオプロトコルは、この分野の新しい開業医がナノ粒子の合成に関連する多くの一般的な落とし穴を回避できるようにすることを目的としています。
使用前に、関連するすべての化学物質安全性データシート(MSDS)を確認してください。これらの合成に使用される化学物質のいくつかは、急性毒性および発がん性を有しています。ナノ材料は、バルク体と比較して追加の危険性を伴う場合があります。ナノ結晶反応を行う際は、工学的管理(ドラフトチャンバー、グローブボックス)および個人用保護具(保護メガネ、手袋、白衣、長ズボン、つま先の隠れる靴)の使用を含め、適切なすべての安全対策を講じてください。以下の手順の一部では、標準的な脱気操作技術15を用います。
1. 分子前駆体の調製
2. CdSeシードの合成

3. CdSe/CdSヘテロ構造の合成
種結晶(図1)および最終的なヘテロ構造(図2)について、吸収スペクトル、フォトルミネッセンス(PL)スペクトル、X線回折(XRD)パターン、および透過電子顕微鏡(TEM)像を収集した。吸収スペクトルおよびPLスペクトルを用いて、ナノ構造体の消衰係数および量子収率を算出した。XRDおよびTEMを用いて、ナノ構造体の相と形態を決定した。

図1. ウルツ鉱型およびジンクブライト型結晶構造を持つCdSeナノ結晶シード。(a, b) それぞれウルツ鉱型およびジンクブライト型CdSeナノ結晶の吸収(黒)およびPL(赤)スペクトル。挿入図はTEM画像。(c, d) ウルツ鉱型およびジンクブライト型CdSeナノ結晶のX線回折パターン。参照用として対応するバルク材料のラインパターンを表示。ここをクリックして拡大画像を表示。

図2. ロッド状およびテトラポッド状形態のCdSe/CdSシードヘテロ構造。(a, b) それぞれCdSe/CdSナノロッドおよびCdSe/CdSテトラポッドのTEM画像。(c, d) CdSe/CdSナノロッドおよびテトラポッドのXRDパターン。ウルツ鉱型CdSからの回折のみが認められる。(e, f) CdSe/CdSナノロッドおよびテトラポッドの吸収(黒)およびPL(赤)スペクトル。緑色の線は、CdSeシードによる吸収を強調するために拡大した吸収スペクトルを示す。ここをクリックして拡大画像を表示。
w-CdSeおよびzb-CdSeシードの光学スペクトルは、シードが高度に単分散しているため、明確なエキシトン吸収を示します(図1a および 1b)。第1エキシトンのエネルギーは、w-CdSeで3.3 nm、zb-CdSeで3.6 nmの直径にそれぞれ対応しています。また、これらのシードは強い光ルミネッセンス(PL)を示し、量子収率はサンプルの調製方法に応じて約3-30%の範囲にあります。例えば、洗浄工程の回数が多いほど表面リガンドが除去され、量子収率が低下する傾向があります6。PLピークの狭い半値全幅(w-CdSeおよびzb-CdSeナノ結晶でそれぞれ31 nmおよび33 nm)は、5-10%のサイズ分布と一致しています21。
種子について収集されたX線回折パターン(図1c および 1d目的の相であることを確認します。ウルツ鉱相では、41.1°および 53.8° これはジンクブレンド相では見られないものである。ピークの広がりは、結晶サイズが有限であることに起因するシェラー広がりによるものである。
CdSeシードの結晶構造の違いにより、最終的なヘテロ構造の形態に劇的な差が生じます(図 2a および 2b)6。w-CdSはw-CdSeの(001)面および(00
)面に核生成し成長するため、一軸成長が起こり、最終的にロッド状の粒子となります。対照的に、w-CdSはzb-CdSeの{111}面から核生成し成長します。8つの{111}面のうち、4つの面は他の面よりも配位飽和度が低いため、これら4つの面からw-CdSがより急速に成長し、テトラポッド形態となります22。シードを用いたロッドおよびテトラポッドは高い結晶性を示し、XRDによりwurtzite構造のCdSであることが確認されました(図 2c および 2d)。
ヘテロ構造のCdS部分はCdSeシードに比べて非常に大きいため、シードによる吸収は全体の吸収のわずかな割合にすぎません。その結果、吸収の大部分がCdSeシードに起因する500 nmより長い波長では、ヘテロ構造の吸収は弱くなります(図 2e および 2f)。500 nmより短い波長では、バンドギャップの大きいCdSが著しく吸収し始めるため、吸収が劇的に増大します。シードの消衰係数は105 M-1cm-1のオーダーですが、ロッドおよびテトラポッドはそれぞれ107 M-1cm-1および108 M-1cm-1と、消衰係数が大幅に向上しています6。ロッドとテトラポッドのいずれにおいても、電子と正孔がより大きな粒子全体に広がっているため、ヘテロ構造の第1励起子遷移は、裸のシードと比較してレッドシフトします(図 2e および 2f)。
ヘテロ構造の構成要素の具体的なサイズおよびそれによって得られるバンド構造に応じて、正孔はシード内にある程度閉じ込められる傾向にある一方、電子は粒子全体をより自由に移動できる23。その結果、再結合は粒子表面から離れた場所で起こり、ロッドでは75%以上、テトラポッドでは35-70%の量子収率が得られ、これらは未修飾のCdSeシードよりも大幅に高い値となる6。さらに、CdSeシード上のCdSによる無機パッシベーションにより、環境安定性が向上する。
我々は、シードの結晶構造を制御することにより、ナノスケールヘテロ構造の最終的な形態を制御する方法を実証しました。この同様のシード成長アプローチは、すでに幅広い構造に適用されており、この手法で合成可能なヘテロ構造の種類は今後も拡大し続けると考えられます。
開示するものは何もありません。
この研究は、契約DE-AC02-05CH11231の下で、米国エネルギー省の無機ナノ構造の物理化学プログラムKC3103、ディレクター、科学局、基礎エネルギー科学局によって支援されました。アルゴンヌ国立研究所のナノスケール材料センターは、米国エネルギー省、科学局、基礎エネルギー科学局のユーザー施設によって契約番号の下でサポートされています。DE-AC02-06CH11357。K.M.とB.J.B.は、2009年の米国復興再投資法によって部分的に可能になり、契約番号に基づいてORISE-ORAUによって管理されているエネルギー省科学大学院フェローシッププログラム(DOE SCGF)の支援に感謝します。DE-AC05-06または23100。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 水酸化ナトリウム、98% | フィ | ッシャーBP359 | |
| ミリスチン酸、99% | シグマアルドリッチ | M3128 | |
| メタノール、99.8% | フィ | ッシャーA412 | |
| 硝酸カドミウム四水和物、99% | シグマアルドリッチ | 20911 | 高毒性 |
| 酸化カドミウム(CdO)、99.99% | シグマアルドリッチ | 202894 | 高毒性 |
| 1-オクタデセン(ODE)、90% | シグマアルドリッチ | O806 | テクニカルグレード |
| セレン(Se)、100メッシュ、99.99% | シグマアルドリッチ | 229865 | |
| トリ-n-オクチルホスフィン(TOP)、97% | ストレム | 15-6655 | 空気感受性 |
| 硫黄(S)、99.9995% | アルファエーザール | 10343 | |
| トリオクチルホスフィンオキシド(TOPO)、99% | ストレム | 15-6661 | |
| N-オクタデシルホスホン酸(ODPA)、99% | PCI合成 | 104224 | |
| メタノール、無水、99.8% | シグマアルドリッチ | 322415 | |
| トルエン、無水、99.8% | シグマアルドリッチ | 244511 | |
| クロロホルム、無水、99% | シグマアルドリッチ | 288306 | |
| ヘキサン、無水、95% | Sigma Aldrich | 296090 | |
| 2-プロパノール、無水、99.5% | Sigma Aldrich | 278475 | |
| 二酸化セレン、99.999% | Sigma Aldrich | 204315 | |
| オレイン酸、90% | Sigma Aldrich | 364525 | テクニカルグレード |
| オレイラミン、70% | Sigma Aldrich | O7805 | テクニカルグレード |
| プロピルホスホン酸(PPA)、95% | Sigma Aldrich | 305685 | |
| エタノール、無水、99.5% | Sigma | Aldrich 459836 | |
| Octylamine、99% | Sigma Aldrich | O5802 |